疲労破壊について

金属疲労について

疲労という言葉は一般的に使用されており、人が様々なストレスにさらされて疲れた状態のことを疲労といいます。そして、金属にも疲れた状態があります。比較的小さい応力でも繰返し受けることで、材料に小さな割れが発生し、それが少しずつ進行して、最終的には破壊にいたる現象です。

 

金属疲労がなぜ問題になるのか

金属が破壊するのにはいくつかのパターンがあります。最も単純なケースとして引張試験のように応力をかけ続け破壊するものです。この場合、破壊の前に変形が起こるため、確認は容易です。しかし、金属疲労の場合、大きな変形は起きずに小さな割れが起こるだけです。そのため、疲労の発生確認と破壊までの予想時間が困難です。金属材料は自動車や航空機、建築物などに使用されています。これらはほとんど常に応力がかかる状態であるため、金属疲労が起こります。実際の金属材料の不具合や事故の多くはこの金属疲労が原因です。

 

金属疲労破壊に対する取組み

金属疲労破壊に対しては機械的な取組みと金属材料的な取組みがあります。前者の設計コンセプトは材料に負荷される応力を出来る限り少なくすることで、材料力学、破壊力学、応力計算などを扱います。後者の設計コンセプトは材料が出来る限り破壊させないことで、起点調査、破面解析、金属組織などを扱います。ここでは金属材料的な取組みを見ていきます。

 

疲労破壊のメカニズム

疲労破壊を適切に防止するためには、疲労破壊発生のメカニズムについての知識が不可欠です。疲労破壊とは材料に繰返し応力がかかることで、表面または内部の欠陥や割れなどを起点として小さい割れが徐々に進行し、最終的に構造物が破壊する現象です。ここで、疲労破壊の対策が立てられるのは、はじめの「表面または内部の欠陥や割れ」と次の「割れの進行」段階の2つです。最終的な破壊が発生してしまったら、もはや手遅れです。